CN107918169A - “一”字型有源保偏光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种“一”字型有源保偏光纤，其特征为它的横截面结构由外到里分别是基管层、外包层、应力作用区、内包层和芯层，应力作用区的形状为“一”字长条形，应力作用区的面积占光纤截面积的比例小于10%，外包层的长宽比为1.5～4；芯层的主要组分为二氧化硅，并掺杂铝、镱、磷和氟元素。本发明还涉及该“一”字型有源保偏光纤的制备方法。本发明具有应力作用区小、生产流程简单、低生产成本的优点。

Description

“一”字型有源保偏光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种保偏光纤，尤其涉及一种“一”字型有源保偏光纤及其制备方法。
背景技术
有源光纤是指能够产生激光或者具备光放大功能的光纤，主要用于光纤激光器与光纤放大器。随着光纤激光雷达探测技术的飞速发展，人们对有源光纤激光器的性能提出了更高要求，即要求激光器为线偏振输出。采用线偏振光纤激光器代替光纤陀螺仪中的光源与偏振器，其在简化光纤陀螺仪装配工艺的同时改善了输入光的偏振特性，从而能有效提高光纤陀螺仪的精度。同样的，将线偏振光纤激光器作为输入光应用于应力传感器中，可以获得高灵敏度和稳定性好的光纤传感器。此外，线偏振光纤激光器还能提高非线性变频、相干光束组等设备仪器的精确度及稳定性，在定位制导、航天航空、通讯、材料加工、3D打印及光学研究等许多军用及民用领域具有重要的应用前景。线偏振光纤激光器在超高功率相干合成激光器与高精度光纤激光雷达探测领域有着重要应用，有源保偏光纤作为线偏振光纤激光器中的主要组成部分，有源保偏光纤的制作水平在很大程度上决定着相干合成激光器与光纤激光雷达系统的性能。
与传统的有源光纤不同，有源保偏光纤一般是通过在掺杂定量稀土元素的纤芯周围添加入具有膨胀系数高的物质（B、Al、Ge等），形成非圆对称的应力作用区而制备成的。当线偏振的种子光源，经过有源保偏光纤芯层的某个轴上，经过一段距离后光功率被放大且仍能基本保持其偏振态。
常见的有源保偏光纤根据应力区形状的不同可分为熊猫型、领结型、椭圆US20040156607A1提到了熊猫型的有源保偏光纤的制备过程，先制备掺稀土有源标准预制棒、制备应力棒、标准预制棒打孔、应力棒塞入带孔的标准预制棒中、进行拉丝成有源保偏光纤。此方法工艺过程复杂，且制备的光纤应力作用区面积较大。US 20040156607 A1介绍了一种通过气相刻蚀法制备预制棒，并拉丝获得领结型掺镱保偏光纤的方法，此方法制备过程简单，但光纤应力作用区面积加大。美国专利US 20060191295A1）就提供了一种冷加工制备有源椭圆型应力区保偏光纤的方法，即在MCVD车床上通过沉积和塌缩，制成一带应力区的结构对称的预制棒，然后在预制棒两边对称切去适当的石英部分，然后在拉丝塔上拉成光纤，但该方法需要进行冷加工，如果处理不好，会影响光纤强度，并且该法费时、废料，成本高。
发明内容
针对以上缺点，本发明的目的在于提供一种应力作用区小、生产流程简单、低生产成本的“一”字型有源保偏光纤。
本发明的技术内容为，一种“一”字型有源保偏光纤，其特征为它的横截面结构由外到里分别是基管层、外包层、应力作用区、内包层和芯层，应力作用区的形状为“一”字长条形，应力作用区的面积占光纤截面积的比例小于10%，外包层的长宽比为1.5～4；
芯层的主要组分为二氧化硅，并掺杂如下摩尔百分比的元素：
铝：1～6,
镱： 0.3～0.6,
磷：1～5,
氟：0.1～0.5。
“一”字型有源保偏光纤各层的主要成分：
基管层：二氧化硅；
外包层：二氧化硅 掺杂元素：磷、氟；
应力区：二氧化硅 掺杂元素：硼；
内包层：二氧化硅 掺杂元素：磷、氟；
芯层：二氧化硅 掺杂元素：铝、镱、磷、氟。
“一”字型有源保偏光纤由“一”字型有源保偏光棒采用公知的拉丝技术，即将有源保偏光棒拉细成石英光纤，在石英光纤外面先涂覆一层低折射率涂料，经过紫外固化处理；然后再涂覆一层丙烯酸树脂光纤涂料，经过紫外固化处理，制备成双包层“一”字型有源保偏光纤。
由于“一”字型有源保偏光纤由“一”字型有源保偏光棒拉细制得，所以“一”字型保偏光棒其横截面结构由外到里也应该是：基管层、外包层、应力作用区、内包层和芯层，应力作用区的形状为“一”字长条形,应力作用区的面积占光棒横截面面积的比例小于10%，进一步应力作用区的面积占光棒横截面面积的比例为2～4%。
MCVD法为公知的生产预制棒的方法，利用此法，生产“一”字型有源保偏光棒与生产领结型保偏光棒在工艺上基本相同，不同之处是：在进行定向刻蚀时领结型光棒的刻蚀工艺将基管内壁对向两侧的应力作用区刻得很透，从而使塌缩后的保偏光棒的应力作用区呈领结型；而“一”字型保偏光棒的刻蚀工艺将基管内壁对向两侧的应力作用区不完全刻透，让该处的应力作用区留有一点厚度，即使基管内沉积的应力层不完全分开，从而使塌缩后的保偏光棒的应力作用区呈“一”字长条形；“一”字型有源保偏光棒与“一”字型保偏光棒在外包层、应力作用区、内包层的工艺基本相同，不同处是：将沉积的二氧化硅疏松体层烧结成芯层前，使二氧化硅疏松体层在含稀土元素的浸泡溶液中浸泡，然后进行氧化，形成一”字型有源保偏光棒的芯层。
MCVD法为公知的生产预制棒的方法，主要步骤为：
1、先对基管进行预处理，预处理可以达到使基管预热和有效消除基管内壁杂质和气泡的效果；
2、随后进行沉积工序，沉积工序依次为掺有磷与氟元素的外包层沉积、掺有硼元素的应力层沉积、掺有磷与氟元素的内包层沉积和芯层沉积；其中在应力层沉积工序结束后进行刻蚀工艺，使被加热处的基管内侧的应力层被逐渐刻蚀透；
3、沉积结束后对基管进行正向塌缩和反向塌缩，制成一根实心的领结型保偏光棒；
4、塌缩结束后，对保偏光棒进行抛光，制得呈石英的透明状的领结型保偏光棒。
5、将保偏光棒拉细，制得领结型保偏光纤。
“一”字型有源保偏光纤的制备方法，其包括如下步骤：
(1)、基管的预处理，使基管预热和有效消除基管内壁的杂质和气泡；
(2)、将处理过的基管依次进行掺有磷与氟元素的外包层沉积、掺有硼元素的应力层沉积和掺有磷与氟元素的内包层沉积，其中在应力层沉积工序结束后进行定向刻蚀，使被加热处的基管内侧的应力层被逐渐刻蚀，且使该处的应力作用区不被完全刻透，让该处的应力作用区留有一点厚度，基管内沉积的应力层不完全分开；定向刻蚀即为使基管不再转动，在基管内通有含氟的腐蚀性气体；在基管外用一束火头或两边对烧的两束火头沿基管的轴向来回移动；
(3)、将步骤（2）中内包层沉积后的基管在1500～1650度通入SiCl4和SF6气体进行掺氟二氧化硅疏松体层沉积，SiCl4通入的体积流量为150～300sccm，SF6通入的体积流量为10～20sccm，沉积结束后将基管的尾管切断，然后浸入浸泡水溶液中浸泡0.5～1.5小时，浸泡结束后在基管中通入N2吹干二氧化硅疏松体层内部的水份，浸泡水溶液中含有AlCl3、YbCl3和H3PO4，AlCl3的摩尔浓度为0.01～0.5%，YbCl3的摩尔浓度为0.01～0.5%，H3PO4的摩尔浓度为0.01～0.5%；
(4)、将步骤（3）吹干后的基管再重新接上尾管，然后在850～950℃先通入O2对基管中的二氧化硅疏松体层的铝、镱、磷进行氧化，O2通入的时间为30～60分钟，O2通入的体积流量为190～210sccm；然后再通入Cl2对基管中的二氧化硅疏松体层进行干燥，Cl2通入的时间为30～60分钟，Cl2通入的体积流量为190～210sccm；再在1600～2000℃将二氧化硅疏松体层烧结成芯层；
(5)、将步骤（4）中二氧化硅疏松体层烧结成芯层的基管在2100～2200℃将基管、外包层、应力区、内包层和芯层进行正向塌缩和反向塌缩，制成应力区形状为“一”字的有源保偏光纤预制棒；
(6)、对“一”字的有源保偏光纤预制棒进行抛光，制得呈石英的透明状的“一”字型有源保偏光棒；
(7)、将透明状的“一”字型有源保偏光棒拉细成石英光纤，在石英光纤外面先涂覆一层低折射率涂料，经过紫外固化处理；然后再涂覆一层丙烯酸树脂光纤涂料，经过紫外固化处理，制备成双包层“一”字型有源保偏光纤。
以上生产方法中，当定向刻蚀时在基管外用一束火头时，该束火头沿基管一侧的轴向来回移动，一侧刻蚀完成后，将基管翻转180度，然后对基管的另一侧进行刻蚀。
以上生产方法中，当定向刻蚀时在基管外用两边对烧的两束火头时，两束火头在通过基管中心的平面内沿基管的轴向对称地在基管的两侧进行来回移动以加热管壁。
随着MCVD设备的不断改进，可使用的基管越来越粗，基管的壁厚也允许较大，由此制得的单根预制棒的体积也越来越大，可拉光纤的长度也越来越长，生产成本可以明显降低，而单批光纤各项参数的均匀性则可明显改善。
本发明可以采用多种外径（最大外径可达到30 mm以上）、多种壁厚和多种截面积的基管做有源保偏光棒，基管外径的范围为12～35mm，壁厚的范围为1.5～3.5mm，截面积的范围为95～320mm2。
本发明所具有的优点是：
(1)、“一”字型有源保偏光纤具有应力作用区小的特点。
(2)、“一”字型有源保偏光纤具有良好的保偏性能、环境温度适应性、耐弯曲性能和机械强度。
(3)、“一”字型有源保偏光纤的制备方法流程简单。
附图说明
图1为本发明“一”字型有源保偏光纤的横截面结构示意图。
图2为本发明“一”字型有源保偏光棒的制造流程示意图。
具体实施方式
如图1所示的“一”字型有源保偏光纤，其横截面结构由外到里分别是：基管层11、外包层12、应力作用区13、内包层14和芯层15，其应力作用区13的形状为“一”字长条形，外包层12的长度为L，外包层12的宽度为W。
如图2所示“一”字型有源保偏光棒的制造流程示意图，其为在MCVD车床上进行基管的预处理、沉积外包层、沉积应力层、定向刻蚀、沉积内包层、沉积疏松体、溶液浸泡疏松体、疏松体氧化干燥、疏松体层烧结、正向塌缩、反向塌缩、抛光等工序，制成“一”字型有源保偏预制棒。
实施例1、“一”字型有源保偏光纤的制备方法，其包括如下步骤：
(1)、基管的预处理，使基管预热和有效消除基管内壁的杂质和气泡；其中基管的直径为32mm，壁厚为2.5mm，基管的横截面积为231.5mm2 ；
(2)、将处理过的基管依次进行外包层沉积、应力层沉积和内包层沉积，其中在应力层沉积工序结束后进行定向刻蚀，在定向刻蚀时在基管内通入六氟化硫腐蚀性气体；在基管外用两边对烧的两束火头在通过基管中心的平面内沿基管的轴向对称地在基管的两侧进行来回移动来加热管壁，使被加热处的基管内侧的应力层被逐渐刻蚀，且使该处的应力作用区不被完全刻透，让该处的应力作用区留有一点厚度，基管内沉积的应力层不完全分开；
(3)、将步骤（2）中内包层沉积后的基管在1600度通入SiCl4和SF6气体进行掺氟二氧化硅疏松体层沉积，SiCl4通入的体积流量为200sccm，SF6通入的体积流量为12sccm，沉积结束后将基管的尾管切断，然后浸入浸泡水溶液中浸泡1小时，浸泡结束后在基管中通入N2吹干二氧化硅疏松体内部的水份，浸泡水溶液中含有AlCl3、YbCl3和H3PO4，AlCl3的摩尔浓度为0.2%，YbCl3的摩尔浓度为0.02%，H3PO4的摩尔浓度为0.3%；
(4)、将步骤（3）吹干后的基管再重新接上尾管，然后在900℃先通入O2对基管中的二氧化硅疏松体层的铝、镱、磷进行氧化，O2通入的时间为45分钟，O2通入的体积流量为200sccm；然后再通入Cl2对基管中的二氧化硅疏松体层进行干燥，Cl2通入的时间为45分钟，Cl2通入的体积流量为200sccm；再在1950℃将二氧化硅疏松体层烧结成芯层；
(5)、将步骤（4）中二氧化硅疏松体层烧结成芯层的基管在2150℃将基管、外包层、应力区、内包层和芯层进行正向塌缩和反向塌缩，制成应力区形状为“一”字的有源保偏光纤预制棒；应力作用区的面积占光棒的横切面积的比例为2.8%；芯层中铝、镱、磷和氟掺杂的摩尔百分比如下：
铝为：4.2，
镱为：0.5，
磷为：3.8，
氟为：0.4；
(6)、对“一”字的有源保偏光纤预制棒进行抛光，制得呈石英的透明状的“一”字型有源保偏光棒。
实施例2、将实施例1中的“一”字型有源保偏光棒拉制成直径为125um的石英光纤；先在石英光纤先涂覆一层低折射率涂料，经过紫外固化处理；然后再涂覆一层丙烯酸树脂光纤涂料，经过紫外固化处理，制备成 “一”字型有源保偏光纤；应力作用区的面积占光纤的横切面积的比例2.8%，外包层的长宽比为2。该 “一”字型有源保偏光纤的主要性能指标如表1：
表1。

Claims (3)

1.一种“一”字型有源保偏光纤，其特征为它的横截面结构由外到里分别是基管层、外包层、应力作用区、内包层和芯层，应力作用区的形状为“一”字长条形，应力作用区的面积占光纤截面积的比例小于10%，外包层的长宽比为1.5～4；
芯层的主要组分为二氧化硅，并掺杂如下摩尔百分比的元素：
铝：1～6；
镱： 0.3～0.6 ；
磷：1～5；
氟：0.1～0.5。
2.一种“一”字型有源保偏光棒，其特征为它的横截面结构由外到里分别是基管层、外包层、应力作用区、内包层和芯层，应力作用区的形状为“一”字长条形，应力作用区的面积占光纤截面积的比例小于10%，外包层的长宽比为1.5～4；
芯层的主要组分为二氧化硅，并掺杂如下摩尔百分比的元素：
铝：1～6；
镱： 0.3～0.6 ；
磷：1～5；
氟：0.1～0.5。
3.“一”字型有源保偏光纤的制备方法，其包括如下步骤：
（1）、基管的预处理，使基管预热和有效消除基管内壁的杂质和气泡；
（2）、将处理过的基管依次进行掺有磷与氟元素的外包层沉积、掺有硼元素的应力层沉积和掺有磷与氟元素的内包层沉积，其中在应力层沉积工序结束后进行定向刻蚀，使被加热处的基管内侧的应力层被逐渐刻蚀，且使该处的应力作用区不被完全刻透，让该处的应力作用区留有一点厚度，基管内沉积的应力层不完全分开；定向刻蚀即为使基管不再转动，在基管内通有含氟的腐蚀性气体；在基管外用一束火头或两边对烧的两束火头沿基管的轴向来回移动；
（3）、将步骤（2）中内包层沉积后的基管在1500～1650度通入SiCl4和SF6气体进行掺氟二氧化硅疏松体层沉积，SiCl4通入的体积流量为150～300sccm，SF6通入的体积流量为10～20sccm，沉积结束后将基管的尾管切断，然后浸入浸泡水溶液中浸泡0.5～1.5小时，浸泡结束后在基管中通入N2吹干二氧化硅疏松体层内部的水份，浸泡水溶液中含有AlCl3、YbCl3和H3PO4，AlCl3的摩尔浓度为0.01～0.5%，YbCl3的摩尔浓度为0.01～0.5%，H3PO4的摩尔浓度为0.01～0.5%；
（4）、将步骤（3）吹干后的基管再重新接上尾管，然后在850～950℃先通入O2对基管中的二氧化硅疏松体层的铝、镱、磷进行氧化，O2通入的时间为30～60分钟，O2通入的体积流量为190～210sccm；然后再通入Cl2对基管中的二氧化硅疏松体层进行干燥，Cl2通入的时间为30～60分钟，Cl2通入的体积流量为190～210sccm；再在1600～2000℃将二氧化硅疏松体层烧结成芯层；
（5）、将步骤（4）中二氧化硅疏松体层烧结成芯层的基管在2100～2200℃将基管、外包层、应力区、内包层和芯层进行正向塌缩和反向塌缩，制成应力区形状为“一”字的有源保偏光纤预制棒；
（6）、对“一”字的有源保偏光纤预制棒进行抛光，制得呈石英的透明状的“一”字型有源保偏光棒；
（7）、将透明状的“一”字型有源保偏光棒拉细成石英光纤，在石英光纤外面先涂覆一层低折射率涂料，经过紫外固化处理；然后再涂覆一层丙烯酸树脂光纤涂料，经过紫外固化处理，制备成双包层“一”字型有源保偏光纤。
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